Το 1915, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη διάσημη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, η οποία παρείχε μια ενοποιημένη περιγραφή της βαρύτητας ως γεωμετρική ιδιότητα του χώρου και του χρόνου. Αυτή η θεωρία οδήγησε στη σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας και έφερε επανάσταση στην κατανόηση της φυσικής. Παρόλο που έχει περάσει ένας αιώνα από τότε, οι επιστήμονες εξακολουθούν να διεξάγουν πειράματα που επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις της θεωρίας του.
Χάρη στις πρόσφατες παρατηρήσεις μιας ομάδας διεθνών αστρονόμων (γνωστή ως συνεργασία GRAVITY), τα αποτελέσματα της Γενικής Σχετικότητας έχουν αποκαλυφθεί χρησιμοποιώντας μια Supermassive Black Hole (SMBH) για πρώτη φορά. Αυτά τα ευρήματα ήταν το αποκορύφωμα μιας 26ετούς εκστρατείας παρατηρήσεων του SMBH στο κέντρο του Γαλαξία (Τοξότης Α *) χρησιμοποιώντας τα μέσα του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητηρίου (ESO).
Η μελέτη που περιγράφει τα ευρήματα της ομάδας εμφανίστηκε πρόσφατα στο περιοδικό Αστρονομία και Αστροφυσική, με τίτλο «Ανίχνευση της βαρυτικής μετατόπισης στην τροχιά του αστεριού S2 κοντά στη μαζική μαύρη τρύπα του Γαλαξιακού κέντρου». Η μελέτη ήταν επικεφαλής του Roberto Arbuto του ESO και περιελάμβανε μέλη της συνεργασίας GRAVITY - η οποία διευθύνεται από τον Reinhard Genzel του Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) και περιλαμβάνει αστρονόμους από πολλά ευρωπαϊκά πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα.
Για χάρη της μελέτης τους, η ομάδα βασίστηκε σε δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από τα εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα της VLT και υψηλής ακρίβειας. Σε αυτά περιλαμβάνονται το όργανο αστρομετρίας και ιντερφομετρίας GRAVITY, το όργανο Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared (SINFONI) και το Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) όργανο, τα οποία είναι γνωστά ως NACO.
Οι νέες υπέρυθρες παρατηρήσεις που συλλέχθηκαν από αυτά τα όργανα επέτρεψαν στην ομάδα να παρακολουθεί ένα από τα αστέρια (S2) που περιστρέφεται γύρω από τον Τοξότη A * καθώς περνούσε μπροστά από τη μαύρη τρύπα - που πραγματοποιήθηκε τον Μάιο του 2018. Στο πλησιέστερο σημείο στην τροχιά του , το αστέρι βρισκόταν σε απόσταση μικρότερη των 20 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων (12,4 δισεκατομμύρια μίλια) από τη μαύρη τρύπα και κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από 25 εκατομμύρια χιλιόμετρα / ώρα (15 εκατομμύρια μίλια / ώρα) - σχεδόν το 3 τοις εκατό της ταχύτητας του φωτός .
Ενώ το όργανο SINFONI χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της ταχύτητας του S2 προς και μακριά από τη Γη, το όργανο GRAVITY στο VLT Interferometer (VLTI) έκανε εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις της μεταβαλλόμενης θέσης του S2 προκειμένου να προσδιορίσει το σχήμα της τροχιάς του. Στη συνέχεια, το όργανο GRAVITY δημιούργησε τις ευκρινείς εικόνες που αποκάλυψαν την κίνηση του αστεριού καθώς περνούσε κοντά στη μαύρη τρύπα.
Στη συνέχεια, η ομάδα συνέκρινε τις μετρήσεις θέσης και ταχύτητας με προηγούμενες παρατηρήσεις του S2 χρησιμοποιώντας άλλα όργανα. Στη συνέχεια συνέκριναν αυτά τα αποτελέσματα με προβλέψεις που έγιναν από τον Νόμο της Καθολικής Βαρύτητας του Νεύτωνα, τη Γενική Σχετικότητα και άλλες θεωρίες βαρύτητας. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα νέα αποτελέσματα ήταν σύμφωνα με τις προβλέψεις που έκανε ο Αϊνστάιν πριν από έναν αιώνα.
Όπως εξήγησε ο Reinhard Genzel, ο οποίος πέραν του ηγέτη της συνεργασίας GRAVITY ήταν συν-συγγραφέας στο έγγραφο, σε ένα πρόσφατο δελτίο τύπου του ESO:
«Είναι η δεύτερη φορά που παρατηρήσαμε το στενό πέρασμα του S2 γύρω από τη μαύρη τρύπα στο γαλαξιακό μας κέντρο. Αλλά αυτή τη φορά, λόγω της πολύ βελτιωμένης οργάνωσης, καταφέραμε να παρατηρήσουμε το αστέρι με άνευ προηγουμένου ανάλυση. Ετοιμαζόμαστε έντονα για αυτήν την εκδήλωση εδώ και αρκετά χρόνια, καθώς θέλαμε να αξιοποιήσουμε στο έπακρο αυτήν τη μοναδική ευκαιρία να παρατηρήσουμε γενικά σχετικιστικά αποτελέσματα. "
Όταν παρατηρήθηκε με τα νέα όργανα του VLT, η ομάδα σημείωσε ένα εφέ που ονομάζεται βαρυτική μετατόπιση, όπου το φως που προέρχεται από το S2 άλλαξε χρώμα καθώς πλησίαζε τη μαύρη τρύπα. Αυτό προκλήθηκε από το πολύ ισχυρό βαρυτικό πεδίο της μαύρης τρύπας, το οποίο τέντωσε το μήκος κύματος του φωτός του αστεριού, αναγκάζοντάς το να μετατοπιστεί προς το κόκκινο άκρο του φάσματος.
Η αλλαγή στο μήκος κύματος του φωτός από το S2 συμφωνεί ακριβώς με αυτό που προβλέπει η εξίσωση πεδίου του Αϊνστάιν. Όπως ο Frank Eisenhauer - ερευνητής από το Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής του Max Planck, ο κύριος ερευνητής του GRAVITY και του φασματογράφου SINFONI και συν-συγγραφέας της μελέτης - ανέφερε:
“Οι πρώτες μας παρατηρήσεις του S2 με το GRAVITY, πριν από περίπου δύο χρόνια, έδειξαν ήδη ότι θα είχαμε το ιδανικό εργαστήριο μαύρων οπών. Κατά τη διάρκεια του κοντινού περάσματος, μπορούσαμε να εντοπίσουμε ακόμη και την εξασθενημένη λάμψη γύρω από τη μαύρη τρύπα στις περισσότερες εικόνες, που μας επέτρεψαν να ακολουθήσουμε με ακρίβεια το αστέρι στην τροχιά του, οδηγώντας τελικά στην ανίχνευση της βαρυτικής μετατόπισης στο φάσμα του S2.”
Ενώ έχουν γίνει άλλες δοκιμές που έχουν επιβεβαιώσει τις προβλέψεις του Αϊνστάιν, είναι η πρώτη φορά που τα αποτελέσματα της Γενικής Σχετικότητας έχουν παρατηρηθεί στην κίνηση ενός αστεριού γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Από την άποψη αυτή, ο Αϊνστάιν έχει αποδειχθεί για άλλη μια φορά, χρησιμοποιώντας ένα από τα πιο ακραία εργαστήρια μέχρι σήμερα! Επιπλέον, επιβεβαίωσε ότι οι δοκιμές που περιλαμβάνουν σχετικιστικά αποτελέσματα μπορούν να παρέχουν συνεπή αποτελέσματα με την πάροδο του χρόνου και του χώρου.
«Εδώ στο Ηλιακό Σύστημα μπορούμε να δοκιμάσουμε μόνο τους νόμους της φυσικής τώρα και υπό ορισμένες συνθήκες», δήλωσε ο Françoise Delplancke, επικεφαλής του Τμήματος Μηχανικών Συστημάτων στο ESO. "Επομένως, είναι πολύ σημαντικό στην αστρονομία να ελέγξετε επίσης ότι αυτοί οι νόμοι εξακολουθούν να ισχύουν όπου τα βαρυτικά πεδία είναι πολύ ισχυρότερα."
Στο εγγύς μέλλον, μια άλλη σχετικιστική δοκιμή θα είναι δυνατή καθώς το S2 απομακρύνεται από τη μαύρη τρύπα. Αυτό είναι γνωστό ως ύφεση Schwarzschild, όπου το αστέρι αναμένεται να βιώσει μια μικρή περιστροφή στην τροχιά του. Η συνεργασία GRAVITY θα παρακολουθεί το S2 για να παρατηρήσει αυτό το φαινόμενο επίσης, στηριζόμενη για άλλη μια φορά στα πολύ ακριβή και ευαίσθητα όργανα του VLT.
Όπως ανέφερε ο Xavier Barcons (Γενικός Διευθυντής του ESO), αυτό το επίτευγμα έγινε εφικτό χάρη στο πνεύμα της διεθνούς συνεργασίας που εκπροσωπείται από τη συνεργασία GRAVITY και τα μέσα που βοήθησαν στην ανάπτυξη του ESO:
«Ο ESO συνεργάστηκε με τον Reinhard Genzel και την ομάδα του και συνεργάτες του στα κράτη μέλη του ESO για πάνω από ένα τέταρτο του αιώνα. Ήταν μια τεράστια πρόκληση για την ανάπτυξη των μοναδικά ισχυρών οργάνων που απαιτούνται για να γίνουν αυτές οι πολύ ευαίσθητες μετρήσεις και να τις αναπτυχθούν στο VLT του Paranal. Η ανακάλυψη που ανακοινώθηκε σήμερα είναι το πολύ συναρπαστικό αποτέλεσμα μιας αξιοσημείωτης συνεργασίας. "
Και βεβαιωθείτε ότι έχετε δει αυτό το βίντεο της επιτυχημένης δοκιμής της GRAVITY Collaboration, με ευγένεια του ESO:
